納米線

橫向限制100納米以下一維結構

納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下（縱向沒有限制）的一維結構。懸置納米線指納米線在真空條件下末端被固定。典型的納米線的縱橫比在1000以上，因此它們通常被稱為一維材料。

根徠據組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線，半導體納米線和絕緣體納米線。納米線均在實驗室中生產，截至2014年尚未在自然界中發現。納米線可以由懸置法、沉積法或者元素合成法製得。懸置納米線可以通過對粗線的化學刻蝕得來，也可以用高能粒子（原子或分子）轟擊粗線產生。實驗室中生長的納米線分為兩種，分別為垂直於基底平面的納米線和平行於基底平面的納米線。

生產納米線的硅和氧在地殼層是最常見的可持續和廉價利用的元素。實驗表明納米線可以被用於下一代計算設備，例如：通過對納米線摻雜，並對納米線交叉可以製作邏輯門。這些在小尺度下才具備的性質使得納米線被廣泛應用於新興的領域，例如納電機系統（NEMS納機電系統）。

物理性質

力學性質

通常情況下，隨著尺寸的減小，納米線會體現出比大塊材料更好的機械性能。強度變強，韌度變好。

導電性質

銅鎳複合納米線應力應變曲線

伴隨著機械性能的顯著變化，納米線的電學性能也相對於體材料有著明顯的變化。納米線的導電性預期將遠遠小於體材料。其原因是當納米線的橫截面尺寸小於體材料的平均自由程的時候，載流子在邊界上的散射效應將會突顯出來。電阻率將會收到邊界效應的嚴重影響。納米線的表面原子並不像在體材料中的原子一樣能夠被充分的鍵合，這些沒有被充分鍵合的表面原子則常常成為納米線中缺陷的來源，從而使得電子不能順利地通過，使得納米線的導電能力低於體材料。

納米線的導電性預期將大大小於大塊材料。這主要是由以下原因引起的。第一，當線寬小於大塊材料自由電子平均自由程的時候，載流子在邊界上的散射現象將會顯現。例如，銅的平均自由程為40nm。對於寬度小於40nm的銅納米線來說，平均自由程將縮短為線寬。

同時，因為尺度的原因，納米線還會體現其他特殊性質。在碳納米管中，電子的運動遵循彈道輸運（意味著電子可以自由的從一個電極穿行到另一個）的原則。而在納米線中，電阻率受到邊界效應的嚴重影響。這些邊界效應來自於納米線表面的原子，這些原子並沒有像那些在大塊材料中的那些原子一樣被充分鍵合。這些沒有被鍵合的原子通常是納米線中缺陷的來源，使納米線的導電能力低於整體材料。隨著納米線尺寸的減小，表面原子的數目相對整體原子的數目增多，因而邊界效應更加明顯。

更進一步，電導率會經歷能量的量子化：例如，通過納米線的電子能量只會具有有離散值乘以朗道常數（這裡 e是電子電量，h是普朗克常數）。電導率由此被表示成通過不同量子能級通道的輸運量的總和。線越細，能夠通過電子的通道數目越少。把納米線連在電極之間，科學家可以研究納米線的電導率。通過在拉伸時測量納米線的電導率，科學家發現：當納米線長度縮短時，它的電導率也以階梯的形式隨之縮短，每階之間相差一個朗道常數G。

因為低電子濃度和低等效質量，這種電導率的量子化在半導體中比在金屬中更加明顯。量子化的電導率可以在25nm的硅鰭中觀測到（Tilke et. al.， 2003），導致閥電壓的升高。

量子束縛原理：電子在納米線中，橫向受到量子束縛，能級不連續。這種量子束縛的特性在一些納米線中表現為非連續的電阻值。這一種分立值是由納米尺度下量子效應對通過納米線電子數的限制引起的。這些孤立值通常被稱為電阻量子化。作為納米技術的一個重要組成部分，納米線具備很多在大塊或三維物體中沒有發現的性質。

結構

氧化鋅納米線構成的向日葵結構

納米線可以有多種形態。有時它們以非晶體的順序出現，如五邊對稱或螺旋態。電子會在五邊形管和螺旋管中蜿蜒而行。

這種晶體順序的缺乏是由於納米管僅在一個維度（軸向）上體現周期性，而在其它維度上可以以能量法則產生任何次序。例如，在一些個例中，納米線可以顯示五重對稱性，這種對稱性無法在自然界中觀測到，卻可以在少量原子促成的簇中發現。這種五重對稱性相當於原子簇的二十重對稱性：二十面體是一簇原子的低能量態，但是由於二十面體不能在各個方向上無限重複並充滿整個空間，這種次序沒有在晶體中觀測到。

類型

銅鎳複合納米線和銅納米線應力應變曲線

根據組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導體納米線（如：InP，Si，GaN 等）和絕緣體納米線（如：SiO，TiO等）。分子納米線由重複的分子元組成，可以是有機的（如：DNA）或者是無機的（如：Mo6S9-xIx）。

製備方法

銅鎳複合納米線

納米線的製備有被懸置法、沉積法、元素合成法等。

被懸置法：指納米線在真空條件下末端被固定。懸置納米線可以通過對粗線的化學刻蝕得來，也可以用高能粒子轟擊粗線產生。

沉積法：指納米線被沉積在其他物質的表面上，例如它可以是一條覆蓋在絕緣體表面上的軸向線。

元素合成法：這種技術採用激光融化的粒子或者一種原料氣硅烷作原材料，然後把原材料暴露在一種催化劑中。對納米線來說，最好的催化材料是液體金屬的納米簇。原材料進入到這些納米簇中並充盈其中，一旦達到了超飽和，源材料將固化，並從納米簇上向外生長。最終產品的長度可由原材料的供應時間來控制。具有交替原子的超級網格結構的化合物納米線可以通過在生長過程中交替原材料供應來實現。

另一種方式產生納米線是通過STM的尖端來刻處於熔點附近的金屬。這種方法可以形象地比作“用叉子在披薩餅上的乳酪上劃線”。

應用

在電子，光電子和納電子機械器械中，納米線有可能起到很重要的作用。它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發射器和生物分子納米感應器。

製造電子設備

單晶銅納米線弛豫時應變隨時間變化曲線

截至2014年，納米線仍然處於試驗階段。不過，一些早期的實驗顯示它們可以被用於下一代的計算設備。為了製造有效電子元素，第一個重要的步驟是用化學的方法對納米線摻雜。這已經被實現在納米線上來製作P型和N型半導體。下一步是找出製作PN結這種最簡單的電子器械的方法。這可用兩種方法來實現。第一種是物理方法：把一條P型線放到一條N型線之上。第二種方法是化學的：沿一條線摻不同的雜質。再下一步是建邏輯門。依靠簡單的把幾個PN節連到一起，研究者創造出了所有基礎邏輯電路：與、或、非門都已經可以由納米線交叉來實現。納米線交叉可能對數字計算的將來很重要。

太陽能轉換

納米線能夠將太陽光自然聚集到晶體中一個非常小的區域，聚光能力是普通光照強度的15倍。由於納米線晶體的直徑小於入射太陽光的波長，可以引起納米線晶體內部以及周圍光強的共振。該研究的參與者、剛剛獲得尼爾斯·波爾研究所博士學位的彼得·克洛格斯特拉普解釋說，通過共振散發出的光子更加集中（太陽能的轉換正是在散發光子的過程中實現的），這有助於提高太陽能的轉換效率，從而使得基於納米線的太陽能電池技術得到真正的提升。

典型的太陽能轉換效率極限，也就是所謂的肖克利·奎伊瑟效率極限（Shockley-Queisser Limit），一直是太陽能電池效率的瓶頸，納米線可能使這一轉換效率極限提高几個百分點，對太陽能電池的發展、基於納米線的太陽能的利用以及全球的能源開發等產生重大影響。

促進化學反應

研究人員把肉眼不可見的納米線構建成納米“樹”，研究人員將納米“樹”電極浸沒在水中，然後利用模擬的太陽光進行照射，並測量電量的輸出。結果表明，這種垂直分支結構不僅能夠捕獲大量太陽能，同時也能最大限度地提高氫氣產量。因為在平面結構，氣泡必須很大才能浮出水面，而垂直結構可以很快地提取非常小的氫氣泡。研究人員表示，這種垂直分支結構可以為化學反應提供比平面結構高40萬倍的表面積。研究人員還有更為遠大的目標，他們的眼睛盯在了人工光合作用。在自然界的光合作用中，植物不僅吸收陽光，還吸收二氧化碳和水，產生碳水化合物供其自身生長。研究人員希望有一天能夠模仿這一過程，利用納米“森林”來吸收大氣中的二氧化碳。

合成纖維

2013年1月，英國科學家研製出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭髮細千倍卻比鋼堅硬15倍，堪稱世界上最高強度、最輕的“納米線”。從歷史上看，碳納米管是最強的物質，但其高強度只能在僅幾微米長的樣品中測量到，實用價值不大。

相比之下，二氧化硅納米線比高強度鋼硬15倍，比傳統的強化玻璃鋼強10倍。人們可以減少材料使用量，從而減輕物體的重量。生產納米線的硅和氧在地殼層是最常見的可持續和廉價利用的元素。此外，可以生產噸級二氧化硅納米纖維，用於光學纖維電力網路。特別具有挑戰性的是如何處理如此之小的纖維，它們比人的頭髮細近千倍。事實上，當它們變得非常非常小時，其行為便出現完全不同的方式，不再像玻璃那樣易碎和破裂，而是如塑料般柔軟，這意味著它們具有可以被抻拉的韌性。該研究結果可用來改造航空、航海和安全等行業。

微電池製造

科學家在微電池製造方面邁出了重要的一步，他們研發出一種微電池，這種電池裡有著垂直排列的鎳—錫納米線，這些納米線外面均勻地包裹著一種叫做PMMA的多聚體材料，也就是人們俗稱的有機玻璃。PMMA的主要作用是絕緣，當電流通過時，它能保護裡面的納米線不受反電極的影響。這種電池比普通的鋰電池充電時間更短，其他性能也更為出色。

納米線